AT502094B1 - METHOD FOR ANALYZING THE SURFACE PROPERTIES OF A MATERIAL - Google Patents
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Description
2 AT 502 094 B12 AT 502 094 B1
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse der Oberflächeneigenschaften eines Materials, insbesondere eines Formteiles. Unter „Formteile“ sind beispielsweise und insbesondere plane oder geformte Folien, Platten, Bleche aus verschiedenen Materialien, z.B. aus Kunststoff oder Metall, zu verstehen. 5The present invention relates to a method for analyzing the surface properties of a material, in particular a molded part. By "moldings" are meant, for example and in particular, flat or formed foils, sheets, sheets of different materials, e.g. made of plastic or metal, to understand. 5
Der erste Eindruck eines Erzeugnisses wird stark von dessen Oberflächenqualität geprägt. Eine gleichmäßige Oberflächenstruktur gilt bei den meisten Produkten als Qualitätsmerkmal und wird von zahlreichen Produktionsfaktoren bestimmt. Das menschliche Auge in Zusammenhang mit dem Gehirn gilt dabei nach wie vor als differenziertestes optisches Messsystem. Dennoch ist io eine rein auf visueller Oberflächenbeurteilung basierende Charakterisierung aus folgenden Gründen unzureichend. Zum Ersten ist das Ergebnis vom Sehvermögen des Beobachters und dessen Tagesform abhängig. Zum Zweiten beeinflussen Erfahrung und Stimmungslage die Akkomodation des Auges in erheblichem Maße, und zum Dritten sind subjektive Qualitätsparameter Modetrends unterworfen, die sich, geprägt durch die moderne Medienvielfalt, in immer 15 schnellerem Tempo ändern.The first impression of a product is strongly influenced by its surface quality. A uniform surface texture is considered a quality feature in most products and is determined by numerous factors of production. The human eye in connection with the brain is still regarded as the most differentiated optical measuring system. Nevertheless, characterization based purely on visual surface evaluation is insufficient for the following reasons. First, the result depends on the observer's vision and on the shape of the day. Secondly, experience and mood greatly influence the accommodation of the eye and, thirdly, subjective quality parameters are subject to fashion trends which, influenced by the modern media diversity, are changing at an ever faster pace.
Aus diesem Grund ist man seit rund 30 Jahren bestrebt, objektive Eigenschaftsparameter für Oberflächen bestimmter Strukturierungen zu definieren, wobei ein umfassendes Verständnis um das Zustandekommen eines bestimmten visuellen Eindrucks einer Oberfläche eine notwen-20 dige Voraussetzung ist. Dass dabei das Erscheinungsbild von zahlreichen sich überlagernden Faktoren, wie Auflösungsvermögen, Trübung und Welligkeit, bestimmt wird, macht die mathematische Modellierung äußerst komplex.For this reason, for some 30 years, efforts have been made to define objective property parameters for surfaces of particular structuring, whereby a comprehensive understanding of the occurrence of a particular visual impression of a surface is a necessary prerequisite. Defining the appearance of numerous overlapping factors, such as resolution, turbidity and waviness, makes mathematical modeling extremely complex.
Das auf eine Oberfläche einfallende Licht wird abhängig vom verwendeten Material auf unter-25 schiedliche Weise in unser Auge bzw. den Detektor eines Messsystems reflektiert. Wenn z.B. das Licht von einem intransparenten Substrat reflektiert wird, ergibt sich das Erscheinungsbild ausschließlich aus der Oberflächenstruktur. Im Fall des Lichteinfalls auf Farbpartikel unterschiedlicher Größe, die in einer transparenten Matrix dispergiert sind, werden neben den Partikeleinflüssen auch Einflüsse des darunter liegenden Substrates wirksam. Dies ist bei lackierten 30 Oberflächen der Fall. Ein weiteres Beispiel ist der Lichteinfall auf ein mehrlagiges Schichtsystem mit einer transparenten Oberflächenschicht und einer darunterliegenden farbgebenden Compositeschicht.Depending on the material used, the light incident on a surface is reflected in a different way into our eye or the detector of a measuring system. If e.g. the light is reflected by an opaque substrate, the appearance results exclusively from the surface structure. In the case of light incidence on color particles of different sizes, which are dispersed in a transparent matrix, influences of the underlying substrate are effective in addition to the particle influences. This is the case with painted 30 surfaces. Another example is the incidence of light on a multilayer coating system with a transparent surface layer and an underlying composite colorant layer.
Den zuvor genannten Faktoren überlagert sich gegebenenfalls eine Welligkeit der Oberfläche. 35 In der Modellvorstellung kommt es durch die Summe dieser Faktoren zu „ebenen Flächenstücken“ unterschiedlicher Orientierung im Raum, durch die das Licht mit einer bestimmten Intensitätsverteilung in unser Auge reflektiert wird.If necessary, a waviness of the surface is superimposed on the aforementioned factors. 35 In the model concept, the sum of these factors leads to "flat surface pieces" of different orientation in space, through which the light with a certain intensity distribution is reflected into our eye.
Daraus resultieren helle und dunkle Stellen an den Kanten einer in einer welligen Oberfläche 40 gespiegelten Lichtquelle. Horst Schene hat im Rahmen seiner Dissertation diese Thematik am Beispiel von lackierten Automobilblechen bearbeitet. Er ermittelte Erscheinungsbildparameter über den Vergleich mechanischer Tastschnittaufnahmen mit einem optisch-physiologischen mathematischen Modell (Schene H., (1990), "Untersuchungen über den optisch-physiologischen Eindruck der Oberflächenstruktur von Lackfilmen", Springer Verlag, Berlin, D.). Diese 45 Dissertation, sowie weitere auf mechanischer Oberflächendetektion basierende Arbeiten (Prov-derT., Kunz B., (1996), Prog. Org. Coatings., 27, p. 219-226; Osterhold M., (1996), Prog. Org. Coatings, 27, p. 195-200; Bley H., (1990), „Oberflächenmesstechnik“, Skriptum, Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Universität des Saarlandes, D.), lieferten zwar erste Hinweise für den Zusammenhang zwischen der Oberflächentopografie und dem Erscheinungsbild, zeigten aber ihre so Grenzen in den folgenden Punkten:This results in light and dark spots at the edges of a light source mirrored in a wavy surface 40. As part of his dissertation, Horst Schene worked on this topic using the example of painted automotive sheet metal. He determined appearance parameters via the comparison of mechanical palpation recordings with an optical-physiological mathematical model (Schene H., (1990), "Examinations of the opto-physiological impression of the surface structure of paint films", Springer Verlag, Berlin, D.). This dissertation, as well as other work based on mechanical surface detection (Prov. T., Kunz B., (1996), Prog. Org. Coatings., 27, p. 219-226; Osterhold M., (1996), Prog. Org. Coatings, 27, pp. 195-200; Bley H., (1990), "Surface Metrology," Lecture Notes, Chair of Manufacturing Technology, Saarland University, D.), provided first indications for the connection between the surface topography and the Appearance, but showed their limits in the following points:
Zum einen liegt die Auflösung von mechanischen Tastschnitten sehr deutlich über den kleinsten optisch wirksamen Strukturgrößen und noch deutlicher über der Lichtwellenlänge, wodurch wesentliche erscheinungsbildrelevante Informationen über die Mikrostruktur nicht erfasst wer-55 den. Zum anderen wird die Oberfläche durch nur wenige ausgewählte eindimensionale Schnitte 3 AT 502 094 B1 erfasst, was als Grundlage für die Modellierung des menschlichen Seheindrucks einer Oberfläche nicht ausreichend ist.On the one hand, the resolution of mechanical samples is very clearly above the smallest optically effective structure sizes and even more clearly over the wavelength of the light, which means that essential information relating to the appearance of the microstructure is not captured. On the other hand, the surface is detected by only a few selected one-dimensional sections 3 AT 502 094 B1, which is not sufficient as a basis for the modeling of the human visual impression of a surface.
In der Folge wurde eine bessere Objektivierung der Erscheinungsbilderfassung über Reflekto-5 meter- bzw. Glanzmessungen gesucht (Nadal M.E., Thompson A., (2001), J. Coatings Techn., 70, 917, p. 73-80; Nadal M.E., Thompson A., (2000), J. Coatings Techn., 72, 911, p. 61-66; Schneider M., Schieweck J., Öhring M., Schumacher M., Czepluch W. (1999), „Untersuchung zur Entstehung des visuellen Glanzeindruckes aus den Eigenschaften der Lackoberfläche; Zusammenhang zwischen Beobachtung und physikalisch messbaren Glanzparametern“, Re-io port, Fraunhofer Institut Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, D; Proctor J. E., Barnes, P. Y., (1996), J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 101, p. 619-627; Fensterseifer F., (1994), I-Lack, 1/94, p. 10-13; Lex K„ (1992), I-Lack, 9/92, p. 306-310; Czepluch W., (1990), I-Lack, 4/90, p. 149-153; Simpson L. A., (1978), Prog. Org. Coatings, 6, p.1-30). Bei diesem Verfahren trifft das Licht durch eine erste Apertur unter einem Winkel von α=20°, a=60° oder 15 a=85° auf die Oberfläche. Die gerichtete Komponente des von der Probe reflektierten Lichts trifft durch eine weitere Apertur definierter Größe auf einen Photosensor.As a result, a better objectification of image acquisition via reflectometer measurements was sought (Nadal ME, Thompson A., (2001), J. Coatings Techn., 70, 917, p.73-80, Nadal ME, Thompson A., (2000), J. Coatings Techn., 72, 911, pp. 61-66; Schneider M., Schieweck J., Ohrring M., Schumacher M., Czepluch W. (1999), "Investigation of Formation of the visual gloss impression from the properties of the lacquer surface: connection between observation and physically measurable gloss parameters ", Re-port, Fraunhofer Institute for Production Technology and Automation (IPA), Stuttgart, D; Proctor JE, Barnes, PY, (1996), J. Res. Natl Inst Inst., Technol., 101, pp. 619-627, Fensterseifer F., (1994), I-Lack, 1/94, pp. 10-13, Lex K (1992), I- Lack, 9/92, pp. 306-310; Czepluch W., (1990), I-Lack, 4/90, pp. 149-153; Simpson LA, (1978), Prog. Org. Coatings, 6, p .1-30). In this method, the light strikes the surface through a first aperture at an angle of α = 20 °, a = 60 ° or 15 a = 85 °. The directed component of the light reflected from the sample strikes a photosensor through a further aperture of defined size.
Gonioreflektometer ermöglichen zusätzlich einen Scan über einen bestimmten Winkelbereich und speichern die gemessenen Reflexionswerte in der Reflexionsindikatrix in Abhängigkeit vom 20 Lichteinfallswinkel. Damit konnten erstmals reproduzierbare Parameter für den bis heute schwierig zu definierenden Begriff „Glanz“ gewonnen werden. Allerdings wird durch dieses Verfahren der wesentliche Aspekt der unterschiedlichen Oberflächenwelligkeitsklassen nicht berücksichtigt. Eine eindeutige Identifizierung und Parametrisierung eines bestimmten Oberflächenerscheinungsbildes durch die Reflexionsindikatrix ist damit nicht möglich (Czepluch W., 25 (1990), I-Lack, 4/90, p. 149-153). Zudem wird ein Teil des diffusen Streulichts aufgrund seiner geringen Intensität nicht erfasst.Gonioreflectometers additionally enable a scan over a certain angle range and store the measured reflection values in the reflection indices as a function of the light incidence angle. For the first time, reproducible parameters could be obtained for the term "gloss", which is still difficult to define today. However, this method does not take into account the essential aspect of the different surface ripple classes. An unambiguous identification and parameterization of a given surface appearance by the reflection indices is thus not possible (Czepluch W., 25 (1990), I-Lack, 4/90, p. 149-153). In addition, part of the diffuse scattered light is not detected due to its low intensity.
Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wurde von der Byk-Gardner GmbH das WAVE-SCAN Gerät entwickelt (Dreybrodt W., Nägele M., Lengsfeld M., Ankele G., Schwank K., Schermuly 30 F.P., (1998), „Messung der Verlaufsstruktur bei matten Lackoberflächen“, Report, UniversitätTaking these aspects into consideration, the Byk-Gardner GmbH developed the WAVE-SCAN device (Dreybrodt W., Nägele M., Lengsfeld M., Ankele G., Schwank K., Schermuly 30 FP, (1998), "Measurement of the Course Structure in matt paint surfaces ", Report, University
Bremen, OptoPrecision GmbH, Bremen, D, MS Messtechnik Schermuly, Dortmund, D.; Hent-schel G., Lex K., (2002), „Weiterentwicklung der Messtechnik zur Bewertung von Glanz und Verlaufsstruktur“, Report, Geretsried, D.). Dabei wird die Oberfläche von einem Laser unter a=60° beleuchtet, während das Gerät über eine Strecke von 10 cm über die zu vermessende 35 Oberfläche bewegt wird. Mit Hilfe eines Systems aus mehreren Detektoren wird die durch die Oberflächenstruktur verursachte Intensitätsschwankung gemessen und ausgewertet. Als Ergebnis erhält man Informationen über die relative Verteilung einzelner Welligkeitsklassen basierend auf einem linearen Scan. Mit anderen Worten wird eine „optische Tastschnittmessung“ vorgenommen. 40Bremen, OptoPrecision GmbH, Bremen, D, MS Messtechnik Schermuly, Dortmund, D .; Hent-Schel G., Lex K., (2002), "Further Development of Measurement Techniques for Evaluating Luster and Gradient Structure", Report, Geretsried, D.). The surface is illuminated by a laser at a = 60 °, while the device is moved over a distance of 10 cm over the surface to be measured. With the aid of a system of several detectors, the intensity fluctuation caused by the surface structure is measured and evaluated. The result is information about the relative distribution of individual ripple classes based on a linear scan. In other words, an "optical stylus measurement" is made. 40
Die genannten Methoden haben eine wesentliche Gemeinsamkeit: Die zu analysierende Probenoberfläche wird durch einen eindimensionalen Linien-Scan erfasst. Unser Auge erfasst unsere Umgebung im Gegensatz dazu in Form eines zweidimensionalen analogen Flächen-Scans. Um zu objektiven, reproduzierbaren und das menschliche Sehempfinden umfassend 45 widerspiegelnden Charakterisierungsgrößen für das Erscheinungsbild einer Oberfläche zu gelangen, ist eine zweidimensionale Messdatenerfassung und mathematische Modellierung erforderlich.The methods mentioned have one thing in common: the sample surface to be analyzed is detected by a one-dimensional line scan. In contrast, our eye captures our environment in the form of a two-dimensional analog area scan. In order to arrive at objective, reproducible characterization variables for the appearance of a surface that reflect human perception of the human being, a two-dimensional measurement data acquisition and mathematical modeling is required.
Die vorliegende Erfindung stellt sich somit zur Aufgabe, ein Verfahren zur Analyse der Oberflä-50 cheneigenschaften eines Materials zur Verfügung zu stellen, mit welchem das Erscheinungsbild einer Probenoberfläche zweidimensional erfasst werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Methoden zur Verfügung zu stellen, mit welchen die Oberflächeneigenschaften eines Materials eindeutig charakterisiert werden können, um z.B. verschiedene Oberflächen eindeutig voneinander zu unterscheiden oder Qualitätsgrade der Oberfläche eindeutig 55 angeben zu können. 4 AT 502 094 B1The object of the present invention is therefore to provide a method for analyzing the surface properties of a material with which the appearance of a sample surface can be detected in two dimensions. Another object of the invention is to provide methods by which the surface properties of a material can be uniquely characterized, e.g. clearly distinguish different surfaces from each other or clearly indicate surface quality grades. 4 AT 502 094 B1
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches folgende Schritte umfasst: - Abbilden eines Objektes, z.B. durch Projizieren oder Spiegeln, auf die Oberfläche des Materials, wobei das Abbild des Objektes auf der Oberfläche des Materials eine zweidimensionale 5 Struktur ist, - Aufnahme des Abbildes des Objektes mittels einer an sich bekannten Bilderfassungsmethode, und - Auswertung des aufgenommenen Bildes und welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abbild des Objektes zumindest einen Abschnitt aufweist, in welchem eine Helligkeitsdifferenz io zwischen der an das Abbild angrenzenden Oberfläche des Materials und dem Abbild des Objektes und/oder eine Helligkeitsdifferenz zwischen einzelnen Teilen des Abbildes auftritt, und dass zumindest über einen Teil dieses Abschnittes eine Auswertung der beim Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen durchgeführt wird. 15 Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, durch Erfassen des zweidimensionalen Abbildes eines Objektes auf der Oberfläche des Messobjektes verschiedenste Oberflächeneigenschaften in eindeutiger Weise bestimmen zu können.This object is achieved by a method comprising the steps of: imaging an object, e.g. by projecting or mirroring, on the surface of the material, the image of the object on the surface of the material being a two-dimensional structure, - taking the image of the object by means of a per se known image acquisition method, and - evaluating the image taken and characterized in that the image of the object has at least one section in which a brightness difference io occurs between the surface of the material adjacent to the image and the image of the object and / or a brightness difference between individual parts of the image, and that at least a part thereof Section an evaluation of the gray-scale occurring in the light-dark transition is performed. The present invention is based on the knowledge of being able to unambiguously determine the most varied surface properties by detecting the two-dimensional image of an object on the surface of the measurement object.
Die US 6,191,850 B1 sowie die JP11-271038 beschreiben Verfahren zur Untersuchung einer 20 Oberfläche, bei welchen ein Muster auf die Messoberfläche projiziert bzw. gespiegelt wird und die Projektion bzw. Spiegelung mit einer Kamera aufgenommen wird.No. 6,191,850 B1 and JP11-271038 describe methods for examining a surface in which a pattern is projected or mirrored onto the measurement surface and the projection or reflection is recorded with a camera.
Wird ein Objekt (z.B. über eine Apertur bzw. durch eine Spiegelung) auf einer zu analysierenden Materialoberfläche so abgebildet, dass es z.B. im Randbereich zwischen dem Abbild des 25 Objektes und dem angrenzenden Bereich der Oberfläche zu einer Helligkeitsdifferenz kommt, so erfolgt der Helligkeitswechsel nicht sprunghaft, sondern es ist - bei entsprechender Vergrößerung dieses Bereiches - ein Übergangsbereich feststellbar, in welchem Graustufen, die zwi-sphen der Helligkeit des hellen bzw. des dunklen Bereiches liegen, auftreten. 30 Es zeigt sich, dass die Analyse dieser Graustufen Aufschluss über diverse Eigenschaften der Oberfläche, wie z.B. der Welligkeit oder der Trübung des Materials, geben kann.If an object (e.g., via an aperture) is imaged on a material surface to be analyzed such that it is e.g. In the border area between the image of the object and the adjacent area of the surface, a brightness difference occurs, the brightness change does not occur abruptly, but it is - with appropriate enlargement of this area - a transitional range detectable, in which gray levels, the zwi-sphen the brightness the light or the dark area, occur. It can be seen that the analysis of these gray levels provides information about various properties of the surface, such as: the waviness or haze of the material.
Eine Methode zur Auswertung dieser auftretenden Graustufen besteht darin, dass ein Histogramm der Häufigkeiten der beim jeweiligen Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustu-35 fen erstellt wird.One method for evaluating these occurring gray levels is to create a histogram of the frequencies of the gray tones occurring in the respective light-dark transition.
Diese im folgenden „Histogrammanalyse“ genannte Methode ermöglicht eine quantitative Auswertung der Trübung einer Oberfläche auf der Basis statistischer Untersuchungen von Intensitätsverteilungen innerhalb von fotografischen Aufnahmen definierter gespiegelter Lichtquellen. 40This method, referred to hereinafter as "histogram analysis", allows a quantitative evaluation of the turbidity of a surface on the basis of statistical investigations of intensity distributions within photographic images of defined mirrored light sources. 40
Die Trübung stellt eine wichtige qualitätsbestimmende Größe bei der Beurteilung von Oberflächen dar und betrifft die diffuse Streuung des auf die Oberfläche einfallenden Lichts durch das Zusammenwirken von Strukturen der unteren Mikrometergrößenordnung. 45 Mit Hilfe der Histogrammanalyse kann der vom Auge wahrgenommene Eindruck der Trübung auf einen vergleichbaren und quantifizierbaren Parameter, den Histogrammkoeffizienten (HK), zurückgeführt werden.Turbidity is an important quality-determining factor in the evaluation of surfaces and relates to the diffuse scattering of the incident light on the surface through the interaction of structures of the lower micrometer order. 45 Histogram analysis can be used to reduce the impression of turbidity perceived by the eye to a comparable and quantifiable parameter, the histogram coefficient (HK).
Eine weitere Methode zur Auswertung besteht darin, dass eine zweidimensionale oder dreidi-50 mensionale Darstellung der beim jeweiligen Hell-Dunkel-Übergang auftretenden Graustufen hergestellt wird.Another method for the evaluation consists in producing a two-dimensional or three-dimensional representation of the gray levels occurring in the respective light-dark transition.
Wenn man jedem im Bereich des Hell-Dunkel-Überganges auftretenden Graustufenwert in einer dreidimensionalen Darstellung dieses Überganges eine Höhe zuordnet, so gibt diese Darstel-55 lung bzw. eine zweidimensionale Aufsicht darauf Aufschluss insbesondere über die Welligkeit 5 5 5 AT 502 094 B1 der beobachteten Oberfläche.If one assigns a height to each gray scale value occurring in the region of the light-dark transition in a three-dimensional representation of this transition, then this representation or a two-dimensional plan view gives information, in particular, about the waviness of the observed one Surface.
Insbesondere kann man aus dem sich über die Länge des untersuchten Teils des Abschnittes ergebenden Profil an Graustufen ein gutes Bild über die Welligkeit der Oberfläche erhalten.In particular, one can obtain a good picture of the waviness of the surface from the profile of gray levels resulting over the length of the examined part of the section.
Zur Ermittlung einer quantifizierbaren Darstellung dieser Welligkeit kann das Profil an Graustufen in vorteilhafter Weise mit einem auf der Methode der Fast-Fourier-Transformation basierenden Algorithmus ausgewertet werden. Insbesondere kann dadurch die Länge der auf der Oberfläche feststellbaren „Wellen“ sowie auch die Häufigkeit des Auftretens von Wellen einer be-io stimmten Länge ermittelt werden. Diese Auswertung korreliert unmittelbar mit dem optischen Eindruck, den das Auge von der Oberfläche hat.To determine a quantifiable representation of this waviness, the profile of gray levels can advantageously be evaluated using an algorithm based on the Fast Fourier Transformation method. In particular, this can be used to determine the length of the "waves" detectable on the surface, as well as the frequency of occurrence of waves of a particular length. This evaluation correlates directly with the visual impression that the eye has from the surface.
Eine weitere vorteilhafte Methode zur Auswertung eines Hell-Dunkelüberganges bei der Abbildung oder Spiegelung eines Objektes auf der Oberfläche des Materials besteht darin, dass 15 zumindest über einen Teil des Abschnittes aus der Helligkeitsdifferenz zwischen der an das Abbild angrenzenden Oberfläche des Materials und dem Abbild des Objektes und/oder der Helligkeitsdifferenz zwischen den einzelnen Teilen des Abschnittes, sowie aus der Länge des jeweiligen Hell-Dunkel-Überganges eine Eigenschaft, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Steilheit des Überganges, Krümmung des Überganges und Steilheit der Krümmung des 20 Überganges, ermittelt wird.Another advantageous method for evaluating a light-dark transition in the imaging or mirroring of an object on the surface of the material is that at least over a portion of the portion of the brightness difference between the surface of the material adjacent to the image and the image of the object and / or the brightness difference between the individual parts of the section, as well as the length of the respective light-dark transition, a property selected from the group consisting of steepness of the transition, curvature of the transition and slope of the curvature of the transition is determined.
Die Form der Kurve der sich beim Hell-Dunkel-Übergang ergebenden Graustufen korreliert nämlich mit der Wahrnehmung eines Kontrastes durch das menschliche Auge: Der Mensch nimmt einen Kontrast zwischen dunklen Farbstufen (z.B. zwischen zwei Grautönen) viel besser 25 wahr als zwischen hellen Farbstufen (z.B. zwischen einem hellweißen und einem reinweißen Farbton).The shape of the curve of the gray scale resulting in the light-dark transition correlates with the perception of a contrast by the human eye: the human perceives a contrast between dark color levels (eg between two gray tones) much better than between bright color levels (eg between a light white and a pure white hue).
Bei einem Hell-Dunkel-Übergang ist daher der Verlauf des ersten Abschnittes, vom vollständig dunklen Bereich zu den ersten dunklen Graustufen hin, wichtig für die Frage, wie die Oberflä-30 che vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Ist an dieser Stelle die Kurve der Graustufen sehr steil, d.h. ist die durch zweifache Ableitung erhaltene Steilheit der Krümmung der Kurve in diesem Bereich sehr groß, so ist der Übergang als starker Kontrast für das menschliche Auge wahrnehmbar. 35 Eine bevorzugte Methode zur Analyse der Trübung und/oder der Welligkeit der Oberfläche des Materials besteht darin, dass die Oberfläche des Materials über eine Apertur mit einem Lichtstrahl bestrahlt wird, wodurch sich ein anhand der Form der Apertur definierter bestrahlter und ein nicht bestrahlter Abschnitt der Oberfläche ergibt, das zweidimensionale Abbild des bestrahlten Abschnittes und des Überganges bzw. der Übergänge vom unbestrahltem zum bestrahlten 40 Abschnitt aufgenommen wird und aus der Aufnahme über zumindest einen Teil der Länge des bestrahlten Abschnittes und/oder über zumindest einen Teil der Breite des bestrahlten Abschnittes eine Auswertung der beim Übergang zwischen unbestrahltem und bestrahltem Abschnitt und/oder innerhalb des bestrahlten Abschnittes auftretenden Graustufen, z.B. nach einer der oben beschriebenen Methoden, durchgeführt wird. 45In a light-dark transition, therefore, the progression of the first section, from the completely dark zone to the first dark gray steps, is important to the question of how the surface is perceived by the human eye. At this point, the gray scale curve is very steep, i. if the slope of the curvature of the curve obtained in this region is very large, the transition is noticeable as a strong contrast to the human eye. A preferred method for analyzing the turbidity and / or the waviness of the surface of the material is that the surface of the material is irradiated with a light beam via an aperture, whereby an irradiated and a non-irradiated portion of the material defined by the shape of the aperture Surface, the two-dimensional image of the irradiated portion and the transitions from the unirradiated to the irradiated portion 40 is taken and from the recording over at least part of the length of the irradiated portion and / or over at least part of the width of the irradiated portion of a Evaluation of the occurring during the transition between unirradiated and irradiated section and / or within the irradiated section gray levels, eg according to one of the methods described above, is performed. 45
In diesem Fall wird also die Abbildung der Apertur auf die Oberfläche des Materials ausgewertet. Die Apertur wird bevorzugt in Form eines Rechteckes vorgesehen, es sind aber auch andere Formen denkbar. so Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren das sich insbesondere zur Analyse des Auflösungsvermögens der Oberfläche eines Materials eignet. Als Auflösungsvermögen wird die Fähigkeit einer Oberfläche bezeichnet, feine, in der Oberfläche gespiegelte Strukturen klar abzubilden. Abbildungsschärfe und Brillanz sind Begriffe, die in diesem Zusammenhang ebenfalls häufig genannt werden. 55 6 AT 502 094 B1In this case, the mapping of the aperture to the surface of the material is evaluated. The aperture is preferably provided in the form of a rectangle, but other shapes are conceivable. A further aspect of the present invention relates to a method which is particularly suitable for analyzing the resolving power of the surface of a material. Resolution is the ability of a surface to clearly image fine surface mirrored structures. Clarity and brilliance are terms that are also commonly referred to in this context. 55 6 AT 502 094 B1
Zur Analyse des Auflösungsvermögens der Oberfläche des Materials dient insbesondere eine Ausführungsform, in welcher ein Messobjekt, welches an seiner der zu analysierenden Oberfläche des Materials zugewandten Oberfläche eine Abfolge von voneinander beabstandeten Linien mit konstanter oder ansteigender Ortsfrequenz aufweist und welches zur Oberfläche des 5 Materials in einem Winkel von 135° oder weniger, bevorzugt 20° bis 90°, steht, auf die Oberfläche des Materials gespiegelt wird, das Abbild von einer Kamera, deren Objektivachse in einem Winkel von 90° oder weniger, bevorzugt 45°, zur Oberfläche des Materials steht, aufgenommen wird und die Kontrastdarstellung der Linien in der Aufnahme des Abbildes des Messobjektes im Verhältnis zu jener des Originals und/oder in Abhängigkeit von der Frequenz der Linien ausge-io wertet wird.In particular, an embodiment in which a measurement object which has on its surface facing the surface of the material to be analyzed a sequence of spaced-apart lines with constant or increasing spatial frequency and which faces the surface of the material in one embodiment is used to analyze the resolution of the surface of the material Angle of 135 ° or less, preferably 20 ° to 90 °, is reflected on the surface of the material, the image of a camera whose lens axis is at an angle of 90 ° or less, preferably 45 °, to the surface of the material , is recorded and the contrast representation of the lines in the recording of the image of the measurement object in relation to that of the original and / or evaluated in dependence on the frequency of the lines ausge-io.
Es wird somit der durch die Oberfläche des Materials verursachte Verlust der Auflösung des auf dem Messobjekt dargestellten Linienmusters gemessen. Diese Methode wird im folgenden „Intensitätsprofilanalyse“ genannt. 15Thus, the loss of resolution of the line pattern displayed on the measurement object caused by the surface of the material is measured. This method is called "intensity profile analysis" in the following. 15
Diese Methode basiert auf der an sich bekannten Methode der Analyse der Modulationstransferfunktionen (MTF), welche zur quantitativen Erfassung und Auswertung des Auflösungsvermögens optischer Messinstrumente, beispielsweise von Mikroskopobjektiven, eingesetzt wird (Rossi P., Brice D.K., Doyle B.L., (2003), Nuclear Instruments and Methods in Physics Re-20 search Section B, 210, p. 85-91.; Roseman A.M., Neumann K., (2003), Ultramicroscopy, 96, p. 207-218; Xu P., Hao Q., Huang C, Wang Y., (2003), Optics and Laser Technology, 35, 7, p. 547-552; Jansonius N.M., Kooijman A.C., (1998), Ophthalmie Physiol Opt., 18, 6, p. 504-513; Lühe van der O., (2003), „Angewandte Optik“, Skriptum, Fakultät für Mathematik und Physik, Albert-Ludwig-Universität, Freiburg, D.). Dabei wird in der Praxis eine Folge von hell-dunklen 25 Linienpaaren mit ansteigender Ortsfrequenz (Modulation) durch die Blechprobe abgebildet und die resultierende Kontrastdarstellung im Verhältnis zum Original und in Abhängigkeit von der Frequenz ausgewertet. Je größer der übertragene Kontrast bei hohen Frequenzen ist, umso besser ist das Auflösungsvermögen. 30 Im Unterschied zur bloßen MTF wird aber in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Tatsache, dass Messobjekt und die zu analysierende Oberfläche zueinander in einem Winkel von bevorzugt 20° bis 90° geneigt sind, bei der Spiegelung des Messobjektes auf die Oberfläche zusätzlich ein Streueffekt aufgrund der über die Länge des gespiegelten Abschnittes unterschiedlichen Beabstandung von Messobjekt und Oberfläche 35 erzielt. Es wird somit nicht nur der Verlust an Auflösung aufgrund der bloßen Spiegelung auf die Oberfläche bestimmt, sondern auch die Änderung dieses Verlustes in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Messobjekt und Oberfläche. Je steiler dabei der Winkel zwischen Messobjekt und zu analysierender Oberfläche ist, umso genauer kann dieser Verlust festgestellt werden. 40 Zur Auswertung der Kontrastdarstellung der Linien wird bevorzugt zumindest über einen Teil der Länge der Kontrastdarstellung eine Hüllkurve angelegt, woraus anhand des Verlaufes dieser Hüllkurve eine qualitative oder quantitative Aussage über das Auflösungsvermögen getroffen werden kann. 45 Weiters kann zur Auswertung der durchschnittliche Kontrast in der Kontrastdarstellung der Linien ermittelt werden.This method is based on the known method of analysis of the modulation transfer functions (MTF), which is used for the quantitative detection and evaluation of the resolving power of optical measuring instruments, such as microscope objectives (Rossi P., Brice DK, Doyle BL, (2003), Nuclear Instruments and Methods in Physics Re-20 search Section B, 210, pp. 85-91, Roseman AM, Neumann K., (2003), Ultramicroscopy, 96, pp. 207-218, Xu P., Hao Q., Huang C, Wang Y., (2003), Optics and Laser Technology, 35, 7, pp. 547-552, Jansonius NM, Kooijman AC, (1998), Ophthalmia Physiol Opt., 18, 6, pp. 504-513 ; Lühe van der O., (2003), "Angewandte Optik", script, Faculty of Mathematics and Physics, Albert-Ludwig University, Freiburg, D.). In practice, a sequence of light-dark 25 line pairs with increasing spatial frequency (modulation) is imaged by the sheet metal sample and the resulting contrast representation is evaluated in relation to the original and as a function of the frequency. The greater the transmitted contrast at high frequencies, the better the resolution. In contrast to mere MTF, however, in the preferred embodiment of the method according to the invention, the fact that the object to be measured and the surface to be analyzed are inclined relative to one another at an angle of preferably 20 ° to 90 ° additionally results in the mirroring of the measurement object onto the surface Scattering effect due to the different distance over the length of the mirrored portion of the object to be measured and surface 35 achieved. Thus, not only the loss of resolution due to the mere reflection on the surface is determined, but also the change of this loss as a function of the distance between the object to be measured and the surface. The steeper the angle between the object to be measured and the surface to be analyzed, the more precisely can this loss be determined. For evaluating the contrast representation of the lines, an envelope is preferably applied over at least part of the length of the contrast representation, from which a qualitative or quantitative statement about the resolution can be made on the basis of the course of this envelope. Furthermore, the average contrast in the contrast representation of the lines can be determined for evaluation.
Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu bestimmenden Eigenschaften sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oberflächendefekten, Dehnungsphänomenen, so Wölbungen der Oberfläche und dem optischen Erscheinungsbild der Oberfläche, wie z.B. dem Auflösungsvermögen, der Trübung und der Welligkeit der Oberfläche des Materials.The properties to be determined by the method according to the invention are preferably selected from the group consisting of surface defects, elongation phenomena, such as surface bulges and the visual appearance of the surface, e.g. the resolution, turbidity and waviness of the surface of the material.
Zur eindeutigen Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften ist es vorteilhaft, wenn eine Kombination von zumindest zwei der bisher beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungs-55 gemäßen Verfahrens durchgeführt wird. 7 AT 502 094 B1For unambiguous characterization of the surface properties, it is advantageous if a combination of at least two of the previously described embodiments of the method according to the invention is carried out. 7 AT 502 094 B1
Insbesondere kann eine eindeutige Charakterisierung einer Oberfläche erzielt werden, wenn man nach den oben beschriebenen Methoden zumindest zwei Eigenschaften aus der Gruppe bestehend aus Auflösungsvermögen, Welligkeit und Trübung, bevorzugt alle drei Eigenschaften, ermittelt. 5In particular, an unambiguous characterization of a surface can be achieved if, according to the methods described above, at least two properties from the group consisting of resolving power, waviness and turbidity, preferably all three properties, are determined. 5
Bevorzugt wird das Ergebnis oder werden die Ergebnisse der jeweiligen Auswertung als quantifizierbare Kennzahl ausgedrückt.The result or the results of the respective evaluation are preferably expressed as a quantifiable characteristic number.
Die Aufnahme des Abbildes des auf der Oberfläche abgebildeten Objektes erfolgt bevorzugt io durch ein digitales Bilderfassungsgerät, insbesondere eine CCD-Kamera. Bei einem CCD-Chip handelt es sich um ein ladungsgekoppeltes Halbleiter-Bauteil, bestehend aus einer Matrix von Fotosensoren, welche Lichtenergie in Form von Photonen in elektrische Ladungen umwandeln. Prinzipiell wird jedem Sensorelement entsprechend seiner Ladung ein bestimmter Helligkeitswert zugeordnet. Schließlich werden die gesammelten Helligkeitsinformationen mit einer speis ziellen Software in ein Bild umgewandelt. Für die erfindungsgemäßen Verfahren kann es notwendig sein, zusätzlich eine entsprechende Konfiguration der jeweiligen Kamerasoftware durchzuführen, was aber für den Fachmann kein Problem darstellt.The image of the image imaged on the surface is preferably acquired by a digital image capture device, in particular a CCD camera. A CCD chip is a charge-coupled semiconductor component, consisting of a matrix of photosensors, which convert light energy in the form of photons into electrical charges. In principle, each sensor element is assigned a specific brightness value in accordance with its charge. Finally, the collected brightness information is converted into an image using special software. For the method according to the invention, it may be necessary to additionally carry out a corresponding configuration of the respective camera software, but this does not represent a problem for the person skilled in the art.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere zur Analyse des optischen Erscheinungs-20 bildes der Oberfläche von Formteilen, insbesondere von planen oder geformten Folien, Platten und Blechen, gegebenenfalls in lackierter Form, durchgeführt.The method according to the invention is carried out in particular for analyzing the optical appearance of the surface of molded parts, in particular of flat or shaped films, sheets and sheets, optionally in lacquered form.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es während oder unmittelbar nach dem Erzeugungsverfahren des zu untersuchenden Materials durchge-25 führt wird. Es kann somit während des Herstellungsverfahrens oder knapp danach eine sehr schnelle Analyse der Oberflächeneigenschaften, z.B. als Qualitätskontrolle, durchgeführt werden.A particular advantage of the method according to the invention is that it is carried out during or immediately after the production process of the material to be investigated. Thus, during the manufacturing process or just thereafter, a very rapid analysis of surface properties, e.g. as a quality control.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird 30 dieses zumindest zweimal hintereinander während oder nach einem Nachbehandlungsvorgang des zu untersuchenden Materials, z.B. einer Reckung, durchgeführt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the latter is at least twice in succession during or after an after-treatment process of the material to be examined, e.g. a stretching, performed.
Oberflächeneigenschaften, wie z.B. Auflösungsvermögen oder Trübung, ändern sich bei einer Deformation, insbesondere bei der Reckung eines Materials, stark. Durch wiederholtes Anwen-35 den des erfindungsgemäßen Verfahrens während eines Deformationsvorganges kann zum Beispiel festgestellt werden, bis zu welchem Grad der Reckung die Oberflächeneigenschaften noch für den jeweiligen Zweck akzeptabel sind.Surface properties, e.g. Resolution or turbidity greatly changes upon deformation, especially when stretching a material. By repeated application of the method according to the invention during a deformation process, it can be determined, for example, to what degree of stretching the surface properties are still acceptable for the respective purpose.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines digitalen 40 Bilderfassungsgerätes, insbesondere einer CCD-Kamera, zur Untersuchung der Trübung und/oder der Welligkeit der Oberfläche eines Materials.In a further aspect, the present invention relates to the use of a digital imaging device, in particular a CCD camera, for examining the haze and / or waviness of the surface of a material.
Dieser Aspekt der Erfindung beruht somit auf der neuartigen Erkenntnis, mittels eines digitalen Bilderfassungsgerätes die genannten Oberflächeneigenschaften zu analysieren. 45This aspect of the invention is thus based on the novel knowledge of analyzing the surface properties mentioned by means of a digital image acquisition device. 45
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren noch näher erläutert.The present invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments and with reference to the figures.
Figur 1 zeigt den bevorzugten Aufbau einer Apparatur zur Durchführung einer Histogrammana-50 lyse.FIG. 1 shows the preferred construction of an apparatus for carrying out a histogram analysis.
Figur 2 zeigt Histogramme der bei Hell-Dunkel-Übergängen auftretenden Graustufen für unterschiedlich gereckte Formkörper. 55 Figur 3 zeigt den Vergleich einer Auswertung einer Histogrammanalyse mit einem herkömmli- 8 AT 502 094 B1 chen Verfahren zur Analyse der Trübung einer Oberfläche.FIG. 2 shows histograms of the gray levels occurring in light-dark transitions for differently oriented moldings. FIG. 3 shows the comparison of an evaluation of a histogram analysis with a conventional method for analyzing the turbidity of a surface.
Figur 4 zeigt eine 3D-Darstellung der auftretenden Graustufen.FIG. 4 shows a 3D representation of the gray levels that occur.
Figur 5 zeigt eine zweidimensionale Aufsicht auf die Darstellung der Figur 4.FIG. 5 shows a two-dimensional plan view of the representation of FIG. 4.
Figur 6 zeigt eine Auswertung der Darstellung der Figur 4 mittels Fast-Fourier-Transformation.FIG. 6 shows an evaluation of the representation of FIG. 4 by means of fast Fourier transformation.
Figur 7 zeigt eine Darstellung des Hell-Dunkel-Überganges, aus welcher Steilheit bzw. Krümmung des Überganges ermittelt werden können.Figure 7 shows a representation of the light-dark transition, from which steepness or curvature of the transition can be determined.
Figur 8 zeigt den Aufbau einer bevorzugten Apparatur zur Durchführung der Intensitätsprofilanalyse.FIG. 8 shows the construction of a preferred apparatus for carrying out the intensity profile analysis.
Figur 9 zeigt das Ergebnis der Durchführung einer Intensitätsprofilanalyse bei verschiedenen Reckgraden eines Formkörpers.FIG. 9 shows the result of carrying out an intensity profile analysis at different degrees of stretch of a shaped body.
Figur 10 zeigt den Vergleich des Ergebnisses einer Intensitätsprofilanalyse mit einer herkömmlichen Methode zur Analyse des Auflösungsvermögens einer Oberfläche.Figure 10 shows the comparison of the result of intensity profile analysis with a conventional method of analyzing the resolution of a surface.
Beispiel 1: HistogrammanalyseExample 1: histogram analysis
In Figur 1 ist eine bevorzugte Apparatur zur Durchführung einer Histogrammanalyse schematisch dargestellt. Als Lichtquelle 1 dient ein Halogenscheinwerfer (150 Watt), vor den eine Apertur 2 geschaltet ist, die eine Projektion definierter Größe auf einer Blechprobe 3 ermöglicht. Als Bilderfassungsgerät ist eine CCD-Kamera 4 vorgesehen. Zwischen Kamera 4 und Apertur 2 sorgen zwei Mattscheiben (nicht dargestellt) für eine homogene Ausleuchtung der Aperturöffnung. Um die Polarisation des reflektierten Lichts vernachlässigen zu können, erfolgten die Aufnahmen der Abbildung der Aperturöffnung mit einem möglichst geringen Winkel zur Senkrechten.FIG. 1 schematically shows a preferred apparatus for carrying out a histogram analysis. The light source 1 is a halogen spotlight (150 watts), in front of which an aperture 2 is connected, which allows a projection of a defined size on a sheet sample 3. As an image capture device, a CCD camera 4 is provided. Between camera 4 and aperture 2, two groundscreens (not shown) ensure homogeneous illumination of the aperture opening. In order to be able to neglect the polarization of the reflected light, the images of the image of the aperture opening were made at as small an angle as possible to the vertical.
In der Modellvorstellung kann man sich die Oberfläche aus diskreten Einzelreflektoren aufgebaut denken. Abhängig von ihrer Neigung reflektieren diese Einzelreflektoren unterschiedlich große Intensitäten in die Richtung des Betrachters bzw. der aufnehmenden CCD-Kamera 4.In the model presentation, one can think of the surface as being made up of discrete individual reflectors. Depending on their inclination, these individual reflectors reflect different intensities in the direction of the observer or the receiving CCD camera 4.
Der hell-dunkel Übergang der Lichtquelle 1 erscheint aus diesem Grund an ihren Kanten je nach der Größenordnung der vorhandenen Strukturen als über die senkrechte Achse (Kantenrichtung) variabler Graustufengradient. Bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass diese Trübung einem Satz von Graustufenwerten mit einer bestimmten Häufigkeitsverteilung entspricht und diese Verteilung unmittelbar mit der wahrgenommenen Trübung korreliert.The light-dark transition of the light source 1 therefore appears at its edges depending on the size of the existing structures as over the vertical axis (edge direction) variable Graustufengradient. Closer inspection shows that this turbidity corresponds to a set of grayscale values with a certain frequency distribution and that distribution correlates directly with the perceived turbidity.
Figur 2 zeigt auf der linken Seite das von der CCD-Kamera aufgenommene Abbild der Apertur 2 auf die Oberfläche der Blechprobe 3 bei verschiedenen Reckgraden (0% bis 14%) des Bleches. Auf der rechten Seite ist das jeweilige Histogramm der im Übergang Hell-Dunkel auftretenden Graustufen dargestellt.FIG. 2 shows on the left side the image of the aperture 2 taken by the CCD camera on the surface of the sheet metal sample 3 at different degrees of stretching (0% to 14%) of the sheet. On the right side, the respective histogram of the gray scale occurring in the transition from light to dark is shown.
Die für das Erscheinungsbild ausschlaggebende Art der Trübung (bestimmt durch das Zusammenwirken von Feinstrukturtrübung und Welligkeitseinfluss) wird durch das Histogramm eindeutig quantifiziert.The type of turbidity which determines the appearance (determined by the interaction of fine structure turbidity and waviness influence) is clearly quantified by the histogram.
Die unverstreckte Probe (0%) zeigt keine Trübung, wodurch sich im Histogramm eine klare Dominanz extrem heller und dunkler Anteile zeigt, während kaum mittlere Intensitätswerte vorhanden sind. Man sieht sehr deutlich, wie die Mächtigkeit der mittleren Intensitätswerte mit dem Reckgrad und der einhergehenden Verschlechterung der Darstellung der Lichtquelle ansteigt. g ΑΤ 502 094 B1The unstretched sample (0%) shows no turbidity, which shows a clear dominance of extremely light and dark parts in the histogram, while hardly any average intensity values are available. It can be seen very clearly how the intensity of the mean intensity values increases with the degree of stretching and the concomitant deterioration in the representation of the light source. g ΑΤ 502 094 B1
Figur 3 zeigt den Vergleich einer quantitativen Auswertung einer Histogrammanalyse (Kurve 3a) mit einem herkömmlichen Verfahren zur Analyse der Trübung einer Oberfläche (Kurve 3b). Dabei wurde ein Histogrammkoeffizient aus dem Verhältnis der bei den jeweiligen Reckgraden resultierenden weissen Fläche der Histogramme aus Figur 2 (d.h. der Anteile ohne Graustufen) 5 zu Gesamtfläche der Histogramme ermittelt.FIG. 3 shows the comparison of a quantitative analysis of a histogram analysis (curve 3a) with a conventional method for analyzing the turbidity of a surface (curve 3b). A histogram coefficient was determined from the ratio of the white areas of the histograms resulting from the respective stretching degrees from Figure 2 (i.e., the proportions without gray levels) 5 to the total area of the histograms.
Dieser Koeffizient ist ein quantifizierter Maßstab für die Trübung der Oberfläche. Der Histogrammkoeffizient berücksichtigt die Ausprägung der vorhandenen Intensitätswerte. Normiert man beispielsweise den Histogrammkoeffizient auf eine Abbildung mit perfekter Kanten-io schärfe (z.B. Schwarzglasplatte) und stellt ihn in Abhängigkeit vom Reckgrad dar, so lässt sich anhand der Kurve eine Grenze quantitativ festlegen, jenseits der das Erscheinungsbild der Lackoberfläche für den kommerziellen Einsatz nicht mehr ausreichend ist.This coefficient is a quantified measure of surface haze. The histogram coefficient takes into account the severity of the existing intensity values. If, for example, the histogram coefficient is normalized to an image with perfect edge sharpness (eg black glass plate) and represented depending on the degree of stretching, a limit can be quantitatively determined on the basis of the curve, beyond the appearance of the paint surface for commercial use is sufficient.
Bei der untersuchten Reckreihe ist - siehe Figur 3 - diese Grenze bei 3% Verstreckung erreicht. 15 In Figur 3 sind auf der x-Achse der Reckgrad der Probe (in %) und auf der y-Achse das Ergebnis der Glanzmessung bzw. den Histogrammkoeffizienten (in %) aufgetragen.In the series of strains examined, this limit is reached at 3% stretch, see FIG. 3. In FIG. 3, the degree of stretching of the sample (in%) and on the y-axis the result of the gloss measurement or the histogram coefficient (in%) are plotted on the x-axis.
Aus dem in Figur 3 dargestellten Vergleich des Ergebnisses der Histogrammanalyse (Histogrammkoeffizient) mit einer herkömmlichen Analyse des Glanzes einer Oberfläche ergibt 20 sich eine gute Korrelation. Die rapide Verschlechterung des Erscheinungsbildes ab einem Reckgrad von 3%, die auch sehr gut durch die visuelle Beurteilung der Lackoberfläche nachzuvollziehen ist, zeigt sich aber bei der herkömmlichen Glanzmessung nicht.From the comparison of the result of the histogram analysis (histogram coefficient) shown in FIG. 3 with a conventional analysis of the gloss of a surface, a good correlation results. The rapid deterioration of the appearance from a degree of stretching of 3%, which can also be understood very well by the visual assessment of the paint surface, but does not show in the conventional gloss measurement.
Zur vollständigen Charakterisierung eines Oberflächenerscheinungsbildes ist als weiterer As-25 pekt die Erfassung und Auswertung der Welligkeit erforderlich. Von zentraler Bedeutung ist dabei, dass für das resultierende Erscheinungsbild nicht die mechanische Oberflächenwelligkeit entscheidend ist, sondern der optische Eindruck, den diese Welligkeit im Zusammenwirken mit den Einflüssen aus tiefer liegenden Lackschichten und der Substratstruktur erzeugt. 30 Um quantitative Kenngrößen der Welligkeit berechnen zu können, werden die Aufnahmen der Histogrammanalyse höhenkodiert, d.h. jedem Graustufenwert wird eine Größe senkrecht zur Abbildungsebene zugeordnet und in der Höhenkodierungsmatrix abgespeichert. Abbildung 4 zeigt die dreidimensionale Darstellung der Höhenkodierungsmatrix (dabei sind auf der x-Achse und der y-Achse der Messbereich in Pixel und auf der z-Achse die reflektierte RGB (Rot-Grün-35 Blau)-Intensität (von 0 bis 256) aufgetragen, - Abbildung 5 deren senkrechte Projektion (Topview, dabei sind auf der x-Achse und der y-Achse der Messbereich in Pixel aufgetragen). 40 Die durch Welligkeit und Trübung verzerrte Kante der Lichtquelle wird durch die dreidimensionale Darstellung in anschaulicher Weise sichtbar.For complete characterization of a surface appearance, the detection and evaluation of the ripple is required as a further As-pect. It is of central importance that the mechanical appearance of the surface is not decisive for the resulting appearance, but rather the visual impression that this waviness produces in conjunction with the influences of lower layers of lacquer and the substrate structure. In order to be able to calculate quantitative characteristics of the ripple, the images of the histogram analysis are height-coded, i. Each gray scale value is assigned a size perpendicular to the image plane and stored in the height coding matrix. Figure 4 shows the three-dimensional representation of the height-coding matrix (in the x-axis and the y-axis the measuring range is in pixels and on the z-axis the reflected RGB (red-green-35 blue) intensity (from 0 to 256) plotted, - Figure 5 their vertical projection (Topview, where the x-axis and the y-axis are plotted in pixels) 40 The edge of the light source, distorted by waviness and turbidity, becomes visually apparent through the three-dimensional representation.
Zur Auswertung der Welligkeitsklassen wurde ein Algorithmus, basierend auf der Fast-Fourier-Transformation (FFT) (Brigham E.O., (1997), „FFT-Anwendungen“, Oldenbourg Verlag, Mün-45 chen, D.) entwickelt. Als Ergebnis erhält man die relative Verteilung der Wellenlängenanteile, das Periodogramm. Da die Auswertung auf einer zweidimensionalen fotografischen Aufnahme basiert, die exakt dem menschlichen Gesichtseindruck entspricht, liefert das Periodogramm Informationen darüber, mit welcher Deutlichkeit die Welligkeit einer bestimmten Größenordnung im Vergleich zu anderen wahrgenommen wird (Fig. 6). Im vorliegenden Fall standen 1135 Pixel so in Kantenrichtung für die Auswertung zur Verfügung, auf deren Grundlage dominierende Wellenlängen von 284 und 162 Pixel ermittelt wurden.To evaluate the ripple classes, an algorithm based on the Fast Fourier Transform (FFT) (Brigham E.O., (1997), "FFT Applications", Oldenbourg Verlag, Munchen-45, D) was developed. The result is the relative distribution of the wavelength components, the periodogram. Since the evaluation is based on a two-dimensional photographic image which corresponds exactly to the human facial impression, the periodogram provides information on how clearly the ripple of a certain order of magnitude is perceived in comparison to others (FIG. 6). In the present case, 1135 pixels were thus available in the edge direction for the evaluation, on the basis of which dominant wavelengths of 284 and 162 pixels were determined.
Die Höhenkodierungsmatrix trägt zudem Informationen über die Erscheinungsbildtrübung. Da die Trübung in direktem Zusammenhang mit der Steigung des Kantenübergangs steht, kann 55 aus der Matrix ein Trübungskoeffizient (kj) errechnet werden, wie in Fig. 7 dargestellt. Zu die- 10 AT 502 094 B1 sem Zweck wird für jeden Punkt entlang der Kantenachse die Steigung der Intensitätswerte berechnet und über die Kantenlänge gemittelt. Auf diese Weise gelangt man zur mittleren Oberflächentrübung (k) der Oberfläche. In weiterer Folge ist es möglich, die Krümmung des Hell-Dunkel-Überganges sowie die Steilheit der Krümmung des Hell-Dunkel-Überganges zu ermitteln.The height coding matrix also carries information about the appearance haze. Since the turbidity is directly related to the slope of the edge transition, a turbidity coefficient (kj) can be calculated from the matrix as shown in FIG. For this purpose, the slope of the intensity values is calculated for each point along the edge axis and averaged over the edge length. In this way one arrives at the mean surface haze (k) of the surface. Subsequently, it is possible to determine the curvature of the light-dark transition and the steepness of the curvature of the light-dark transition.
Beispiel 2 - IntensitätsprofilanalyseExample 2 - Intensity Profile Analysis
Figur 8 zeigt eine bevorzugte Apparatur zur Durchführung einer Intensitätsprofilanalyse. Messobjekt 8 und die Blechprobe 6 stehen jeweils in einem Winkel von 45° zur Beobachtungsrichtung (Objektivachse der Kamera 5). Zur Beleuchtung des Linienmusters dienen zwei seitlich montierte Lampen (nicht gezeigt) mit jeweils 60 Watt Leistung. Die Kamera 5 ist auf einem Stativ 7 über der Blechprobe 6 so positioniert, dass der berechnete Schärfentiefebereich über die beiden Ränder des Messcharts hinausreicht. Das auf dem Messobjekt 8 vorhandene Linienmuster (siehe Figur 9) wird auf die Oberfläche der Blechprobe 6 gespiegelt. Das gespiegelte Abbild des Linienmusters wird von der Kamera 5 aufgenommen.FIG. 8 shows a preferred apparatus for performing an intensity profile analysis. Measuring object 8 and the sheet metal sample 6 are each at an angle of 45 ° to the observation direction (lens axis of the camera 5). To illuminate the line pattern are two side mounted lamps (not shown), each with 60 watts of power. The camera 5 is positioned on a stand 7 above the sheet sample 6 so that the calculated depth of field range extends beyond the two edges of the measurement chart. The line pattern (see FIG. 9) present on the measurement object 8 is mirrored onto the surface of the sheet metal sample 6. The mirrored image of the line pattern is taken by the camera 5.
Mit Hilfe dieser Apparatur wurde das Auflösungsvermögen eines Formteiles bei verschiedenen Reckgraden (0% bis 14%) untersucht. Das Ergebnis ist in Figur 9 dargestellt.With the aid of this apparatus, the resolving power of a molded part at various degrees of stretching (0% to 14%) was investigated. The result is shown in FIG.
Von den mittels geeigneter Kameraparametern aufgenommenen Darstellungen des auf der Oberfläche gespiegelten Linienmusters wurde das Modulationsprofil im abgebildeten Messchart berechnet. Dabei wurde das jeweilige Kontrastverhältnis zwischen den hellen und dunklen Linien des Linienmusters ermittelt und über die Länge des beobachteten Abschnittes ausgewertet (siehe Auswertungskurven auf der rechten Seite der Figur 9).From the representations of the line pattern mirrored on the surface by means of suitable camera parameters, the modulation profile was calculated in the illustrated measuring scale. The respective contrast ratio between the light and dark lines of the line pattern was determined and evaluated over the length of the observed section (see evaluation curves on the right side of FIG. 9).
Je stärker das Auflösungsvermögen der Oberfläche beeinträchtigt ist, umso schneller sinkt bei steigender Abbildungsdistanz ,d’ der Kontrast (,d-der jeweilige Abstand von Formteil 6 zum Messchart 8, siehe Figur 8), d.h. die Modulation bricht ein. Man sieht in der Abbildung deutlich, dass beim unverstreckten Blech sämtliche Linien mit hohem Kontrast übertragen werden. Mit steigendem Reckgrad bricht die Modulation bei immer kürzeren Abbildungsdistanzen ein. Bereits bei 3% Verstreckung werden in dieser Reckreihe die Linienpaare nur noch bis zur Hälfte der maximalen Abbildungsdistanz mit ausreichendem Kontrast übertragen. Das bedeutet in der Praxis, dass die Abbildung eines Objektes im Lack selbst bei größeren Betrachtungsabständen beeinträchtigt ist.The more the resolution of the surface is affected, the faster decreases as the imaging distance increases, d 'the contrast (d-the respective distance from the molding 6 to the measuring scale 8, see Figure 8), i. the modulation breaks down. It can be clearly seen in the figure that the undrawn sheet transfers all lines with high contrast. As the degree of stretching increases, the modulation breaks down at ever shorter imaging distances. Already at 3% stretching, the line pairs in this row of rows are only transferred up to half the maximum imaging distance with sufficient contrast. This means in practice that the imaging of an object in the paint is impaired even at larger viewing distances.
Die mittels des an sich bekannten „WAVE-SCAN“-Verfahrens ermittelte Größe „Distinctness Of Image (DOI)“ setzt sich aus der Trübung und den kurzwelligen Anteilen des aufgenommenen Spektrums zusammen und sollte damit einer Größe für das Auflösungsvermögen nahe kommen. Stellt man die DOI dem Modulationsverhalten in Abhängigkeit vom Reckgrad gegenüber, so zeigt sich, dass das Auflösungsvermögen stärker als der DOI-Wert abfällt.The quantity "Distinctness Of Image (DOI)" determined by means of the "WAVE-SCAN" method known per se is composed of the turbidity and the short-wave portions of the recorded spectrum and should therefore approach a size for the resolution capacity. If one compares the DOI to the modulation behavior as a function of the degree of stretching, it turns out that the resolution decreases more than the DOI value.
Dies ist in Figur 10 dargestellt, wobei Kurve 10a den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Verlauf des Auflösungsvermögens in Abhängigkeit vom Reckgrad und Figur 10b die Vergleichsmessung nach der „WAVESCAN“-Methode darstellt. In Figur 10 ist auf der x-Achse wieder der Reckgrad (in %) aufgetragen, auf der y- Achse ist das ermittelte Auflösungsvermögen (in %) aufgetragen. Der unterschiedliche Verlauf der beiden Kurven ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass sich der DOI-Wert aus optischen Daten, basierend auf der Mikrorauhigkeit und den kurzwelligen Anteilen der Oberflächenwelligkeit, errechnet, während das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Auflösungsvermögen praktisch ausschließlich durch die Mikrorauhigkeit beeinflusst wird. Der Vergleich mit dem optischen Eindruck bestätigt den starken Abfall des Auflösungsvermögens. Der durch WAVESCAN ermittelte leichte Anstieg bei 4% wird durch die visuelle Beurteilung nicht bestätigt.This is illustrated in FIG. 10, with curve 10a representing the resolution of the resolution as a function of the degree of stretching determined by the method according to the invention and FIG. 10b the comparison measurement according to the "WAVESCAN" method. In FIG. 10, the degree of stretching (in%) is again plotted on the x-axis, the determined resolving power (in%) is plotted on the y-axis. The different course of the two curves is presumably due to the fact that the DOI value is calculated from optical data based on the micro-roughness and the short-wave components of the surface waviness, while the resolution capacity determined by the method according to the invention is influenced almost exclusively by the microroughness. The comparison with the visual impression confirms the sharp drop in resolution. The slight increase of 4% detected by WAVESCAN is not confirmed by the visual assessment.
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